本发明涉及炼焦炉装煤烟尘及炼焦煤气的回收，属于焦化产业节能环保技术领域，具体地涉及一种基于煤气分质回收的焦炉炭化室烟尘治理系统。
背景技术：
当前普遍采用的顶装煤室式炼焦工艺中，当炭化室装煤时几乎立刻观察到由于炭化室炉墙高温引起的煤气强烈析出。在最初两小时，炉墙支出的热比从加热火道收入的热要高—炉墙温度下降，引起煤分解和气体析出速度放慢。之后炉墙温度平衡，分解接近以固定速度进行。在温度450～500℃时，焦饼中心线产生焦油缝后，观察到煤气析出增强，直到温度800～900℃时达到最大。
王恭铎研究表明，装煤过程中产生的煤气量约为结焦过程中煤气发生量的7倍。装煤时产生的煤气量为：3600m3/h(每吨煤的煤气发生量：320～340m3/t煤；结焦时间：宽为450mm的炭化室结焦时间取18h；每孔炭化室的装煤量：28.9t)，装煤过程产生的荒煤气平均热值为22990kj，比焦炉煤气热值低(焦炉煤气热值一般为17～19gj/nm3)。气体和蒸气在煤入炭化室时就已开始出现，通过装煤孔冒出的烟气，主要由水蒸汽、焦油物和煤尘组成。最先从靠近炉墙的湿煤蒸发出水分。水分的蒸发在105～110℃时结束。
装煤产生的烟尘来自以下几个方面：
1、装入炭化室的煤料转换出大量的空气，装炉开始时空气中的氧还和入炉的细煤粒燃烧生成碳黑，形成黑烟。
2、装炉煤与高温炉墙接触、升温，产生大量水蒸汽和荒煤气。
3、随上述水蒸汽和荒煤气同时扬起的细煤粉，以及装煤末期平煤时带出的细煤粉。
4、因炉顶空间瞬时堵塞而喷出的煤气。
这些烟尘通过装煤孔、上升管盖和平煤孔等处散发至大气。
每炉装煤作业通常为2～3分钟，上述1和2的冒烟时间约1～1.5分钟。据实测(对炭化室有效面积117m2，采用上升管喷射时的皮带测值)装煤时产生的烟尘量1.2nm3/分·m2。装煤初期湿煤气含水分40～50％，故干烟尘量约0.6nm3/分·m2。该值因炉墙温度、装煤速度、煤的性质等因素而变化。装煤末期煤气发热量可达3000－3500kcal/nm3。装煤烟尘中粉尘的散发量(据西德一个厂的统计平均值)约200克/吨煤，有些资料提供的数据则更大。
当集气管压力过高时，炭化室压力也比较高。虽说在这种情况下得到的煤气热值较高－因为它不会被来自燃烧室系统的废气或外来空气稀释－但煤气收率较低，因为有一部分煤气串漏至燃烧室系统或通过不严密的炉门逸至炉外。
当集气管压力过低时，炭化室内的压力，特别是在结焦末期，就会低于燃烧室系统的压力，煤气就会被来自燃烧室系统的废气所稀释。而空气进入炭化室则会引起降低煤气的质量和损坏炉墙的化学反应。
为了不让炭化室形成负压，集气管压力应是液体静压力再加5pa。例如，集气管至炭化室底的距离为11m，则集气管的压力应等于(11╳10)+5＝115pa。
为了防止焦炉集气管荒煤气压力升高过大，例如当煤气鼓风机实然停机时，焦气管上安装有煤气放散管。放散管上装有手动翻板或者带可调开启压力的自动液压阀，一般放散阀的开启压力为200或250pa。
对单个炭化室来说，在装煤后结焦过程的初期，由于大小炉门与炉门框的结合误差，不可避免存在一定的间隙，而生产工艺要求此时的炭化室要保持正压，由此导致部分荒煤气通过这些缝隙溢出，污染环境；直到结焦时间1～2小时后，这些缝隙被溢出的荒煤气携带的焦油以及被软化后塑性状的煤料堵塞，荒煤气溢出才得以控制。
若增加煤气风机吸力，降低炭化室压力，不仅影响煤气质量，还会增加风机的动力消耗，同时还会增加后续煤气净化系统的运行负荷，导致煤气净化系统投资增加、净化成本增大。
综上，需解决的技术问题如下：
(1)现代炼焦工艺及装备决定了焦炉煤气的回收系统必须长期处于完好状态，才能保证焦炉煤气的100％回收。但受投资及煤气性质(易燃易爆，若两套备用，不用的那套需长期有惰性气体保护，备用成本太高)的制约，现代焦化工艺设计及工程建设时，一般不考虑建设备用的煤气回收系统，所以在现代炼焦生产中，难以克服焦炉荒煤气的放散，并由此对环境带来的污染。同时也决定了现有的炼焦荒煤气回收系统无法克服事故状态时荒煤气放散损失并污染环境问题，对焦炉生产的事故应急措施严重不足；
(2)炼焦煤炼焦过程中，产生的荒煤气在不同结焦时期，其组成性质差异较大，现有的炼焦荒煤气回收系统不能识别荒煤气的性质，不能针对不同时期不同性质的荒煤气进行分质回收。特别装煤后结焦初期，一氧化碳和甲烷是此阶段荒煤气的主要组成，最有价值的芳香碳氢化合物几乎没有。同时微细煤粉及水分也比较高，此时的荒煤气进入回收系统后，其所携带的粉尘、水气等全部收集进入到后续煤气净化系统，导致后续有关单元堵塞、并严重影响后续相关产品的质量，增加后续废水处理成本；
(3)受炼焦生产工艺的限制，炭化室要求保持正压下操作，现有的炼焦荒煤气回收系统不能杜绝结焦初期，炭化室大小炉门及炉顶装煤孔盖等处荒煤气溢出污染环境现象。
技术实现要素：
为解决上述装煤和炼焦过程中存在的技术问题，本发明公开了一种既能回收装煤烟尘，又能回收炼焦煤荒煤气的基于煤气分质回收的焦炉炭化室烟尘治理系统。
为实现上述目的，本发明公开了一种基于煤气分质回收的焦炉炭化室烟尘治理系统，包括设置在焦炉炭化室机侧用于回收炼焦煤在结焦中期产生的荒煤气的机侧焦炉煤气回收系统，它还包括设在焦炉炭化室焦侧用于回收装煤时产生的装煤烟尘，及炼焦煤在结焦初期和结焦末期产生的荒煤气的焦侧装煤烟尘回收系统，所述焦侧装煤烟尘回收系统包括水封阀、与所述水封阀一端相连的装煤烟尘燃烧室及用于向焦炉燃烧室输送烟气的焦侧集气管，所述装煤烟尘燃烧室内还设有自动点火器及与外界大气保持相通的燃烧室放散口。
进一步地，所述焦侧装煤烟尘回收系统还用于在机侧焦炉煤气回收系统出现故障或焦炉炭化室内压力超出炼焦操作能力时回收荒煤气，将荒煤气均送入焦炉燃烧室以降低事故的发生率。
再进一步地，所述水封阀为u型管道，在u型管道内设有水位调节阀及用于疏通管道内阀门堵塞的疏通阀，同时，在u型管道上还设有水封阀进水管、注水阀、水封阀回流管和水封阀溢流管，其中，当u型管道内填满水时可实现截断焦炉炭化室与焦侧焦炉煤气回收系统之间的气体通路，通过调整水位调节阀来调节u型管道内水位可用于控制焦炉炭化室与焦侧焦炉煤气回收系统之间的气体通量多少，从而实现控制焦炉炭化室内气压，尽量避免焦炉出现冒烟、冒火的现象。
再进一步地，所述水封阀控制装煤烟尘或荒煤气的温度≤300℃，经水封阀洗脱下的部分粉尘进入与水封阀相连的沉淀池中。
再进一步地，在结焦初期及结焦末期，所述水封阀控制所述焦炉炭化室内部压力为－3～3pa。
再进一步地，所述结焦初期为焦炉炭化室装煤结束后炼焦煤开始结焦的2～2.5h，所述结焦末期为炼焦煤结束结焦前的1h。
再进一步地，每座焦炉的每2～3个焦炉炭化室共用一个装煤烟尘燃烧室，每个装煤烟尘燃烧室的出气口均连接焦侧集气管。
再进一步地，所述装煤烟尘燃烧室与焦侧集气管连接的管路上设有焦侧自动调节阀。
再进一步地，在焦侧集气管与焦炉燃烧室连接的气体管路上还设有温度控制器和耐热抽风机，所述温度控制器控制进入焦炉燃烧室内的烟气温度≤300℃。
一般的，荒焦炉煤气的产生可分为两个阶段：
——煤组分在达到约500℃时分解产生最初产物；
——最初产物热解生成最终产物。
挥发份开始析出，也是煤结构开始破坏，这与其煤化程度有关。配煤开始分解的温度约在300℃温度。
气体和蒸气在炭化室装煤时就已开始出现，通过装煤孔冒出的烟气，主要由水蒸汽、焦油物和煤尘组成。最先从靠近炉墙的湿煤蒸发出水分。水分的蒸发在105～110℃时结束。
在温度100～200℃范围，从煤分出储存的气体，主要由甲烷、二氧化碳和氮构成，水是这阶段的主要产物，但很难确定何时终结分出吸附水，开始形成热解水。
温度高于200℃时，除热解水外，开始生成分解产物，首先是含氧化物(以腐植酸为主)受到分解，析出一氧化碳和二氧化碳，并转变为高级酚。这一过程一般在205～350℃之间完成(对焦煤约在400℃)，分出5～10％的气体(由入炉煤的性质决定)。在温度升高时，煤继续分解，炼焦过程进入一次产物主要是一次焦油分出最多时期(塑性阶段)，这一时期在温度500～550℃结束，煤经过塑性状态开始形成半焦。在此期间产生40～50％焦炉煤气，其成分以甲烷含量高(≤60％)和氢含量低(≤20％)为特征。
煤从500℃加热到800℃时，均匀地分出含富氢的煤气，此时氢的体积达到45％。一次焦油遭到分解，并产生比较低的饱和及不饱和碳氢化合物，例如乙烷、乙烯和乙炔。不饱和碳氢化合物闭合，生成六角环，通过脱氢产生芳香碳氢化合物，如苯、甲苯和二甲苯。
700～800℃温度对产生最有价值的芳香碳氢化合物来说是最适宜的温度范围。
温度高于700℃时，开始生成多环芳香碳氢化合物(萘、蒽)，其数量随温度增加而增加，氢数量也增加。含氧化合物继续受到分解，由高级酚产生低级酚，低级酚进一步分解为一氧化碳和二氧化碳及低级碳氢化合物。含氧化物还会形成大量的水。氨开始分解为元素，氮与碳和氢化合形成氰化氢，含硫化合物主要生成硫化氢。
温度高于800℃时特征是：多环芳香碳氢化合物(萘、蒽)增加和石墨开始产生；最低级碳氢化合物开始逐渐分解成元素。在800～900℃范围内乙烯形成乙炔、氢和甲烷，而高于1000℃时甲烷分解为碳和氢。
综上，本发明设计的系统能够实现对装煤烟尘、炼焦时的荒煤气的分类回收的目的。
此外，本发明的机侧焦炉煤气回收系统为现有的荒煤气回收系统。
本发明采用上述基于煤气分质回收的焦炉炭化室烟尘治理系统进行烟气回收的方法如下：
1)对焦炉炭化室装煤时，使水封阀的水位调节阀处于全开状态，并打开水封阀的注水阀，装煤产生的含尘烟气装煤烟尘流经水封阀分离得到粉尘与烟气，所述粉尘随水封阀的内部水流进入与水封阀回流管相连接的沉淀池中得到煤粉固体，所述烟气进入装煤烟尘燃烧室中；所述装煤烟尘燃烧室中的自动点火器在烟气中含有氧气时自动打火燃烧至耗尽氧气，得到剩余气体；待燃烧完毕后，焦侧自动调节阀打开，剩余气体进入焦侧集气管中，并控制进入焦炉燃烧室的烟气温度≤300℃直至装煤结束。
2)在焦炉炭化室1开始结焦到结焦的2～2.5h，重复上述操作；同时，为避免焦炉炭化室内部的压力太大出现冒烟或冒火现象，通过调节水封阀的水位调节阀，以此来调整水封阀内部的积水水位以保证焦炉炭化室内部的压力为－3～3pa。
3)在焦炉炭化室结焦的中期，关闭焦侧自动调节阀，打开水封阀上的注水阀使水封阀的u型管内部充满水，截断焦侧煤气通道；打开氨水管上的调节阀，向弯头与桥管中喷入循环氨水冷却荒煤气，打开机侧手动调节阀和机侧自动调节阀使机侧集气管与机侧吸气管保持内部相通，开启机侧吸气管上设置的机侧抽风机，所述机侧集气管中冷却后的荒煤气被抽出进入煤气净化系统，这个过程一直延续到结焦周期结束以前的1h。
4)在焦炉炭化室1结束结焦以前的1h，重复上述步骤1)的操作。
本发明的基于煤气分质回收的焦炉炭化室烟尘治理系统的有益效果主要体现在如下几个方面：
(1)本发明设计的系统可对装煤粉尘进行分类回收利用，利用水封阀将装煤粉尘中的粉尘固体分离，一方面避免了与焦油混合导致的分离困难的问题，另一方面提高了烟气的品质；
(2)本发明设计的系统在结焦初期和结焦后期将炼焦煤中的水分抽进焦侧集气管，最终随荒煤气进入焦炉燃烧室，一方面充分利用了荒煤气中的余热，另一方面避免了水分随荒煤气一起进入煤气净化系统，降低了废水处理难度和成本；同时，炭化室中产生的荒煤气中的粉尘部分被水封阀洗涤，部分被送入了焦炉燃烧室中作为补充燃料，减少了进入焦油中的煤粉量，提高焦油质量的同时，减少了系统内部管道堵塞的概率；
(3)本发明设计的系统在炭化室突发事故发生时，可避免焦炉荒煤气的放散引起的环境污染；
(4)本发明设计的系统通过调节水封阀内水位可控制炭化室内部压力为微正压，减少了炭化室内部出现冒烟或冒火的概率；
(5)本发明设计的系统通过燃烧室燃烧掉混入的氧气，可减少爆炸事故的发生率。
附图说明
图1为本发明系统的结构示意图；
图1中各部件的标号如下：
焦炉炭化室1(其中：装煤孔1.1)；
焦侧装煤烟尘回收系统2(其中：焦侧上升管2.1(其中：焦侧上升管盖2.11)、水封阀2.2(其中：水封阀进水管2.21、注水阀2.22、水位调节阀2.23、水封阀回流管2.24、水封阀溢流管2.25、疏通阀2.26)、装煤烟尘燃烧室2.3(其中：自动点火器2.31、燃烧室放散口2.32、放散口翻板阀2.33)、焦侧集气管2.4、焦侧自动调节阀2.5)；
机侧焦炉煤气回收系统3(其中：机侧上升管3.1、机侧上升管盖3.11、弯头与桥管3.2、π型管3.3、机侧手动调节阀3.4、机侧自动调节阀3.5、机侧集气管3.6、机侧吸气管3.7、氨水管3.8、焦油盒3.9)。
具体实施方式
本发明的每个焦炉包括若干个焦炉炭化室和焦炉燃烧室，所述焦炉炭化室与焦炉燃烧室交错分布，保证每相邻的两个焦炉炭化室之间设有一个焦炉燃烧室；并且每个焦炉炭化室上设置一个焦侧装煤烟尘回收系统和一个机侧焦炉煤气回收系统。
如图1所示，本实施例公开了一种基于煤气分质回收的焦炉炭化室烟尘治理系统，它包括焦炉炭化室1、分别设置在焦炉炭化室1焦侧的焦侧装煤烟尘回收系统2和机侧的机侧焦炉煤气回收系统3，所述焦炉炭化室1的顶端开设有若干个用于向焦炉炭化室1添加炼焦煤的装煤孔1.1，所述焦侧装煤烟尘回收系统2包括与焦炉炭化室1保持内部相通的焦侧上升管2.1(所述焦侧上升管2.1上还设有焦侧上升管盖2.11)、水封阀2.2、装煤烟尘燃烧室2.3及用于向焦炉燃烧室输送烟气的焦侧集气管2.4；所述水封阀2.2为u型管道，该u型管道的一端连接焦侧上升管2.1，该u型管道的另一端连接装煤烟尘燃烧室2.3，所述装煤烟尘燃烧室2.3通过所述水封阀2.2与焦侧上升管2.1保持内部管道相通，所述装煤烟尘燃烧室2.3连接焦侧集气管2.4，本发明设计每座焦炉的每2～3个焦炉炭化室1共用一个装煤烟尘燃烧室2.3，在装煤烟尘燃烧室2.3下部设置2～3个进气口分别连接每个焦炉炭化室1的水封阀2.2，在装煤烟尘燃烧室2.3上还设置烟尘出口用于连接焦侧集气管2.4，所述烟尘出口与焦侧集气管2.4之间设有焦侧自动调节阀2.5；同时，所述装煤烟尘燃烧室2.3内部设有自动点火器2.31，装煤烟尘燃烧室2.3的顶端设置有燃烧室放散口2.32，所述燃烧室放散口2.32上设置有自动翻板阀2.33；在焦侧集气管2.4与焦炉燃烧室相连接的气体管路上设有温度控制器和耐热抽风机，所述温度控制器控制进入焦炉燃烧室内的烟气温度≤300，所述温度控制器优选为换热器或喷雾降温式设备。
再次结合图1可知，所述水封阀2.2的管道为u型管道，所述u型管道上设置有水封阀进水管2.21、水封阀溢流管2.25和水封阀回流管2.24，所述水封阀进水管2.21上设置有注水阀2.22，所述u型管的内部设置有水位调节阀2.23，所述u型管的底部下端设置有用于喷入高压水或高压蒸汽的疏通阀2.26，所述水封阀回流管2.24的末端连接沉淀池；当装煤时的装煤烟尘流经水封阀2.2时，所述水封阀2.2一方面对装煤烟尘降温，另一方面水洗部分烟尘，水洗下的粉尘被水流洗涤下来后经水封阀2.2的水位调节阀2.23进入水封阀回流管2.24中，并随管内水流进入与水封阀回流管2.24相连接的沉淀池中，得到煤粉固体，该煤粉固体在实现脱水后可重新作为焦炉的炼焦煤；经降温后的烟气在焦侧耐热抽风机的抽吸作用下进入燃烧室2.3中；进入燃烧室2.3中的烟气在含有氧气时，自动点火器2.31自动打火至耗尽氧气，得到剩余气体，该剩余气体进入焦侧集气管2.4中并被送入焦炉燃烧室中作为炼焦用的煤气补充。
此外，若水封阀2.2内部的阀门被粉尘固体堵塞，打开疏通阀2.26喷入高压水或高压蒸汽即可实现清洗阀内沉积物疏通阀门的目的，水流及水洗下的粉尘沿水封阀2.2上设置的水封阀回流管2.24进入与水封阀2.2相连的沉淀池中。
与此同时，所述机侧焦炉煤气回收系统3为现有荒煤气回收系统，它用于在焦炉炼焦过程抽出焦炉炭化室产生的荒煤气，如图1所示，它包括机侧上升管3.1(所述机侧上升管3.1上还设有机侧上升管盖3.11)、弯头与桥管3.2、π型管3.3、机侧手动调节阀3.4、机侧自动调节阀3.5、机侧集气管3.6、机侧吸气管3.7、氨水管3.8和焦油盒3.9，其中，所述机侧集气管3.6还通过π型管3.3连接机侧吸气管3.7，所述机侧吸气管3.7连接煤气净化系统，所述π型管3.3上设置有机侧手动调节阀3.4和机侧自动调节阀3.5，具体的机侧焦炉煤气回收系统吸收荒煤气的过程为：进入弯头与桥管3.2中的荒煤气被沿氨水管3.8喷入的氨水冷却降温，使得荒煤气的温度降低到70～80℃，降温后的荒煤气进入机侧集气管3.6，其中，荒煤气中的焦油进入焦油盒3.9中，荒煤气中的气体沿π型管3.3进入机侧吸气管3.7后外排，荒煤气中的液体流经焦油盒3.9后也进入机侧吸气管3.7，再经过后续的煤气净化系统处理废水。
为了更好的实现上述回收利用系统的功能，以下结合具体的回收利用方法及具体的实施例进行解释说明。
本实施例优选焦化厂2×6米焦炉，焦炭产量110万吨/年，装煤除尘设计最大风量8万m3/h，焦炉煤气回收系统中，煤气量约55000nm3/h，结焦时间18～20小时。烟气回收单侧集气管安装在机侧，装煤烟尘收尘总管安装在焦侧。
一种基于煤气分质回收的焦炉炭化室烟尘治理系统进行烟气回收的方法如下：
(1)对焦炉炭化室1装煤时，使水封阀2.2的水位调节阀2.23处于全开状态，并打开水封阀2.2的注水阀2.22，装煤产生的含尘烟气装煤烟尘流经水封阀2.2分离得到粉尘与烟气，所述粉尘随水封阀2.2的内部水流进入与水封阀回流管2.24相连接的沉淀池中得到煤粉固体，所述烟气进入燃烧室2.3中；所述燃烧室2.3中的自动点火器2.31在烟气中含有氧气时自动打火燃烧至耗尽氧气，得到剩余气体；待燃烧完毕后，焦侧自动调节阀2.5打开，剩余气体进入焦侧集气管2.4中，并控制进入焦炉燃烧室的烟气温度≤300℃直至装煤结束。
(2)在焦炉炭化室1开始结焦到结焦的2～2.5h，重复上述操作；同时，为避免焦炉炭化室1内部的压力太大出现冒烟或冒火现象，通过调节水封阀2.2的水位调节阀2.23，以此来调整水封阀2.2内部的积水水位以保证焦炉炭化室1内部的压力为－3～3pa。
(3)在焦炉炭化室1结焦的中期，关闭焦侧自动调节阀2.23，打开水封阀2.2上的注水阀2.22使水封阀2.2的u型管内部充满水，截断焦侧煤气通道；打开氨水管3.8上的调节阀，向弯头与桥管3.2中喷入循环氨水冷却荒煤气，打开机侧手动调节阀3.4和机侧自动调节阀3.5使机侧集气管3.6与机侧吸气管3.7保持内部相通，开启机侧吸气管3.7上设置的机侧抽风机，所述机侧集气管3.6中冷却后的荒煤气被抽出进入煤气净化系统，这个过程一直延续到结焦周期结束以前的1h。
(4)在焦炉炭化室1结束结焦以前的1～2.5h，重复上述步骤(1)的操作。
为了更好的应对突发事故，在结焦中期，若机侧焦炉煤气回收系统3出现故障，关闭机侧焦炉煤气回收系统3的内部通道，打开焦侧焦炉煤气回收系统2的内部通道，重复上述步骤(1)的操作，抽出焦炉炭化室1内产生的荒煤气并送入焦炉燃烧室中作为补充燃料。
若机侧焦炉煤气回收系统3出现故障的时间比较长，即使水封阀2.2内部的积水全部排空，焦侧耐热风机也无法将焦炉炭化室1内部产生的荒煤气全部抽出，使得焦炉炭化室1内部的压力超出炼焦操作范围，如当焦炉炭化室1内部的压力达到160pa时，对应焦炉炭化室1的焦侧自动调节阀2.5关闭，打开放散口翻板阀2.33，荒煤气在燃烧室2.3内燃烧后排出，避免荒煤气的全部放散对环境造成的污染，极大的改善了焦化厂区的大气环境质量。
以上实施例仅为最佳举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。除上述实施例外，本发明还有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。